En digitalt styrd, pulsbreddsmodulerad spänningsomvandlarkrets, ZL8800 från Intersil, gör extern slingkompensering överflödig, men kretsen är ändå stabil. Den som använder kretsen behöver inte offra prestanda och bandbredd för att uppfylla stabilitetskraven under systemets alla tänkbara arbetsförhållanden.

Det har alltid varit en utmaning att konstruera stabila spänningsaggregat som ger optimala prestanda under högst skiftande arbetsförhållanden. Under de senaste två årtiondena har vi sett flera viktiga nya ansatser för att klara denna uppgift.
En av de senaste innovationerna inom detta område är att använda digital styrning. Flera leverantörer använder nu med framgång sådan i sina spänningsaggregat. På vissa marknader ser vi också ett ökat användande tack vare fallande priser och förbättrade prestanda.
I denna artikel ser vi närmare på vilka möjligheter digital styrning kan ge med en ny komponent från Intersil: ZL8800. Kretsen innehåller dubbla pulsbreddsmodulerade, spänningssänkande omvandlare.
Den viktigaste orsaken till att man ofta väljer digital kraft är att man behöver få tillgång till telemetri (systemövervakning) och en så flexibel styrning att en och samma konstruktion skall kunna stödja ett antal olika applikationer.
Ytterligare en fördel med ZL8800 är att man utnyttjar digital styrning för att uppnå stabilitet. Det ger konstruktörerna en extra frihetsgrad genom att man under konstruktionsarbetet inte behöver beakta faktorer som komponentåldrande, variationer och termisk påfrestning.

Standardvägen till ett stabilt spänningsaggregat
Vid konstruktion av spänningsaggregat i komplexa system, som datacentraler och basstationer, är den vanligaste strategin för effektdistribution att använda en DC-effektbuss och till den anslutna lokala POL-enheter (Point Of Load) som levererar de spänningar som de individuella korten behöver. Detta ger systemen en modulär uppbyggnad och underlättar för operatörerna som är inriktade på systemens tillförlitlighet och verkningsgrad.
Den traditionella konstruktionsvägen har varit att använda en ansats med analog switchning med fast frekvens samt spännings- och strömåterkoppling. Genom att välja en fast frekvens kan man förutbestämma strömmarna genom de passiva komponenter som lagrar energi (spolarna och kondensatorerna), vilket underlättar komponentvalet. Dessa komponenter dimensioneras sedan efter kraven på utgången: belastningsström, rippel på utspänningen, etc.
Utmaningen för konstruktören är att stabilisera styrslingan efter att lämpliga komponenter har valts. Problemet försvåras när man måste ta hänsyn till faktorer som variationer och värsta-fallet-analys (inklusive miljöaspekter). Slutresultatet blir ofta en konstruktion som offrar prestanda och bandbredd för att uppfylla stabilitetskraven under systemets alla tänkbara arbetsförhållanden.
Låt oss se på problemet med komponenttoleranser vid valet av spole. Dessa ickelineära komponenter uppvisar variationer avseende ström, temperatur, switchfrekvens och tid. Spolar utan ferriter används ofta, trots att sådana över sitt specificerade strömområde kan variera så mycket som 50 procent. Detta är verkligen en stor optimeringsutmaning. Utgångskondensatorer uppvisar på samma sätt samma variationer avseende temperatur, DC-bias och åldring.
Det innebär att det enda val konstruktören har kvar för att försöka skapa en stabil styrslinga är att drastiskt minska systemets bandbredd. Kraven på transientprestanda uppfylls sedan med hjälp av överdimensionerade utgångskondensatorer för att balansera styrslingans långsamma prestanda. Detta belastar konstruktionen genom större dimensioner och högre komponentkostnader.

Den digitala vägen
Med digital styrning går det att komma förbi denna kompromiss, och Intersil har genom sitt uppköp av Zilker Labs befunnit sig i hjärtat av den digitala effektrevolutionen sedan 2003. Med introduktionen av den senaste styrkretsen ZL8800 kan Intersil nu erbjuda den första produkten av sitt slag som möjliggör en kompensationsfri digital lösning.
Denna tvåkanaliga, spänningssänkande PWM-styrkrets eliminerar behovet av att kompensera styrslingan för stabilitet, utan att behöva kompromissa med systembandbredden. Inbyggt minne gör att komponenten kan anpassas för alla slags applikationer, och kretsar med hög effekttäthet kan konstrueras med ett minimalt antal externa komponenter.

Fig 1. Typisk användning av Intersils dubbla, digitala PWM-styrkrets ZL8800 (klicka för större bild).

Styrning i laddningsmod
En viktig funktion hos ZL8800 är Intersils egenutvecklade styrslinga, som kallas ChargeMode-styrning. Genom denna höghastighetsslinga går det att noggrant ersätta laddningsförluster från utgångskondensatorn under transienta händelser på minimalt kort tid. Styrningen sker snabbt cykel-för-cykel medan den digitala slingan översamplar utspänningen.
Listigt nog behöver ZL8800 inte känna till utgångskondensatorns verkliga värde, utan kretsen använder digitala styralgoritmer för att kunna utföra de korrekta ändringarna, t o m för stabiliteten. Det medför att det inte krävs lika hög kapacitans för att åstadkomma en konstruktion utan kompensering. Styrkretsens svar garanterar att alla transientvillkor uppfylls, samtidigt som stabiliteten bibehålls och eventuella ringningar och överslängar minimeras.
Fördelarna på systemnivå som denna ansats ger är att konstruktörerna inte längre är bundna till ett fåtal möjliga komponenter. Istället kan de välja komponenter för att uppnå optimala prestanda, samtidigt som de kan vara säkra på att styrkretsen i sig ger stabilitet. Dessutom eliminerar styrkretsen effekterna av komponentåldrande och miljömässiga variationer eftersom den digitala styrslingan konstant övervakar och agerar på ändringar.
Den bredbandiga styrningen möjliggörs av ett antal interna subsystem. En höghastighets, översamplande A/D-omvandlare ger styrslingan dess transienta responsivitet, medan en dubbelflankig modulator gör att ZL8800 kan bibehålla en fast switchfrekvens och samtidigt minimera fördröjningar genom slingan.

Fig 2. Transientsvaret hos ZL8800. Trots 20 A laddning/urladdning avvikerspänningen bara 24 mV (klicka för större bild).

Figuren ovan visar vilka prestanda ZL8800 ger i en typisk applikation. Konfigurerad som en 2-fasig enhet med en utgång och 550 kHz arbetsfrekvens har ZL8800 konstruerats för att ge totalt 60 A utström med en utgångskondensator på mindre än 2 700 µF. I figuren har applikationen konfigurerats med V_in = 12 V, V_ut = 1,2 V och en stegad belastning på 20 A (20 A laddas in, och 20 A laddas ur). Den totala avvikelsen som kan observeras på utgången ligger på blott 24 mV (±1 procent av utspänningen).

Fler egenskaper
ZL8800 arbetar med inspänningar mellan 4,5 och 14 V och kan programmeras att ge en utspänning inom området 0,54 till 5,5 V. Kretsen har konstruerats för att switchas med mellan 200 kHz och 1,33 MHz, antingen internt styrd eller styrd av en extern klocka. Den kan antingen konfigureras med dubbla utgångar eller drivas i 2-fasmod för att kunna användas i applikationer med höga strömkrav.
Den digitala kommunikationen med styrkretsen sker över PMBus. Men det finns också ett unikt, entrådigt DDC-gränssnitt (Digital DC) för kommunikation mellan ett antal Intersil-kretsar. Detta ger möjligheter att bygga upp komplexa kraftarkitekturer. En av fördelarna med DDC-bussen är att den kan användas för komplex sekvensering och felhantering över flera kretsar.
Som stöd för telemetri har ZL8800 en funktion för parametriska ”snapshots”. Dessa fångar in driftsdata om ett fel inträffar, samtidigt som ett inbyggt, ickeflyktigt minne ger möjlighet till lokal lagring av data och användarinställningar.
Med introduktionen av ZL8800 har Intersil utnyttjat tillfället att uppdatera sitt grafiska användargränssnitt PowerNavigator. Detta ger användarna tillgång till alla funktioner i ZL8800 via en intuitiv programmeringsmiljö, utan att de behöver skriva någon enda rad kod.
Två utvärderingskort finns tillgängliga: ett med dubbla utgångar (2 × 30 A) och ett med ett 2-fassystem som ger 60 A.

Chance Dunlap är Senior Marketing Manager på Intersil med ansvar för Infrastructure Power. Han har arbetat inom kraftelektronikindustrin under de senaste 15 åren och haft positioner inom applikationer, affärsutveckling och marknadsföring, inriktade på olika kraftprodukter från digital effekt till isolerade styrkretsar. Chance har en BSEE från Purdue University och en MBA från University of Arizona. Han innehar sex patent och har publicerat ett antal tekniska artiklar om konstruktion av spänningsaggregat och stabilitet hos styrslingor. Dessutom har han medverkat i ett antal symposier och konferenser.

Filed under: Stromforsorjning